某空间望远镜光机热集成分析

　　1 引 言

　　与光机系统相关的各个领域的工程分析软件都已逐渐趋于完善。但各个软件之间的数据交互，并没有得到较好的发展。然而光学系统无不涉及了光、机、电、热等各个学科领域。所以各个学科的分析软件的数据传输成为了对光学系统进行综合特性分析的瓶颈。美国 Jacob Miller 等人最先提出了光机热集成分析方法的概念。并列出了光机热集成分析方法所需的应用软件[1]。这一方法的提出标志着静力学分析、动力学分析、热分析、热应力耦合分析等分析的结果被光学分析软件所使用成为可能性。现在国外已经提出了多种光机热集成分析方法，而且也全部应用到了实际工程当中[2]。然而国内现在还普遍采用最小二乘法进行 Zernike 拟合，而且实际应用到工程中的为数并不多见。本文以工程实例为基础，详细讲解了以 Gram-schmidt 正交化法为基础的光机热集成分析技术的完整过程。对空间望远镜受热、应力影响的程度进行了科学的评估。

　　空间望远镜工作环境恶劣，在机械载荷、热载荷等作用下，光学系统各个光学表面面形发生了变化，各光学元件也发生了相对位移。这都会给光学系统的特性带来很大影响，使得光学性能下降。所以，通过光机热集成分析的方法对空间望远镜进行分析是十分必要的。光机集成的方法有很多: ①光线追迹法; ②齐次坐标变换法; ③球面方程拟合法; ④Zernike 多项式拟合法。其中 Zernike 多项式拟合法是比较常用的一种方法。本文即采用了 Zernike 多项式拟合的方法，在 VC 平台下编制了数据接口程序。以 Zernike多项式作为基底函数，对 Ansys 分析得到的镜面散乱点变形进行拟合。然后再将拟合的 Zernike 多项式导入到光学设计软件 Zemax 或 Code V 中对原设计系统进行变形修正，得到变形后的系统，进而来评估光学系统在载荷作用下的性能。光机集成分析流程如图 1 所示。

　　2 空间望远镜系统

　　空间望远镜的光学指标: 入瞳直径D:Ф 300 mm，相对孔径 F /#: 8，视场角: 19. 1 × 19.1 角分( 对角线视场 ω: 0. 23°) ，CCD 像元尺寸: 13 μm，工作波段: 380 ～ 700 nm。光学系统采用形 Ritchey-Chretien 反射式( 简称 R - C 系统) 型式。该型式适合焦距长、口径大、视场小的光学系统，并且具有无色差、无彗差及结构紧凑的特点，满足系统的指标要求。设计完成后的图如图 2 所示。

　　3 热应力分析

　　空间望远镜的结构设计是保证相机成像质量的重要环节之一。其结构形式主要由光学系统、CCD焦平面组件和卫星接口决定。望远镜所经历的力学环境比较苛刻，为了保证成像质量，要求应具有合理的结构设计。